一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝的制作方法
【專利摘要】一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝，結(jié)構(gòu)包含三層結(jié)構(gòu)，頂層為蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)，底層為高彈性模量聚合物與低彈性模量聚合物相間分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)，中間層為提供電場(chǎng)的柔性導(dǎo)電薄膜；制造工藝是先進(jìn)行頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)的制備，再進(jìn)行中間層柔性導(dǎo)電薄膜的制備，然后制備底層彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型；本發(fā)明能夠在保持蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)高粘附強(qiáng)度的前提下，利用聚合物的電致動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)調(diào)控下的可控脫附與粘附，其制造工藝，采用基于光刻、壓印和旋涂的工藝手段，實(shí)現(xiàn)各層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確可控制造，可廣泛用于帶式輸送機(jī)、機(jī)械手、微吸盤等干粘附領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微納工程中的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]相較于傳統(tǒng)的真空吸附、機(jī)械嚙合、靜電吸附或磁致吸附等粘附方式，干粘附不強(qiáng)烈依賴于被粘附表面材料的化學(xué)性質(zhì)，具有粘附力大、穩(wěn)定性好、對(duì)材質(zhì)和形貌適應(yīng)性強(qiáng)、不會(huì)對(duì)接觸物體表面造成損傷和污染等特點(diǎn)，其在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性、控制靈活性、對(duì)工作環(huán)境及粗糙表面適應(yīng)性等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，干粘附功能表面替代傳統(tǒng)粘附方式已成為仿生爬壁機(jī)器人、太空環(huán)境/超潔凈環(huán)境無(wú)損精確輸運(yùn)、生物醫(yī)療診斷等方面發(fā)展的重要方向和趨勢(shì)。在干粘附結(jié)構(gòu)表面的應(yīng)用過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度粘附與可控脫附是干粘附研究領(lǐng)域的重要方面。德國(guó)馬普研究院del Campo等人研究發(fā)現(xiàn)蘑菇狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度粘附特性，然而蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)由于形貌的對(duì)稱性，表現(xiàn)出各向等同的粘附強(qiáng)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效可控的脫附；美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Mentin Sitti教授、美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校Jacob N.1sraelachvili教授、韓國(guó)首爾大學(xué)Suh教授等人研究的基于傾斜微結(jié)構(gòu)陣列和三角形微柱陣列等各向異性的微結(jié)構(gòu)功能表面，能夠?qū)崿F(xiàn)干粘附表面的可控脫附，然而前提是以犧牲粘附強(qiáng)度為代價(jià)的。因此，如何實(shí)現(xiàn)干粘附功能表面高強(qiáng)度粘附和可控脫附的有機(jī)統(tǒng)一是目前干粘附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制造方向面臨的困難和挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的難題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)及制造工藝，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度粘附和可控脫附的有機(jī)統(tǒng)一。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0005]—種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，包含三層結(jié)構(gòu)，頂層為蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)，底層為高彈性模量聚合物與低彈性模量聚合物相間分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)，中間層為提供電場(chǎng)的柔性導(dǎo)電薄膜。
[0006]所述的頂層采用低表面能材料，包括聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0007]所述的底層采用的高彈性模量聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，低彈性模量聚合物為PDMS。
[0008]所述的中間層采用的柔性導(dǎo)電薄膜為聚二氧乙基噻吩PED0T:聚苯乙烯磺酸PSS或銀納米線。
[0009]—種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝，包括以下步驟:
[0010]第一步，頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)的制備:在基材I的表面旋涂一層厚度為微米級(jí)別的光刻膠，所述的基材I為載玻片或Si片，所述的光刻膠為EPG 533或AZ系列光刻膠，利用雙面曝光技術(shù)在光刻膠層實(shí)現(xiàn)蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而采旋涂工藝在反型結(jié)構(gòu)的光刻膠層表面制備一層厚度為微米級(jí)別的低表面能材料；
[0011]第二步，中間層柔性導(dǎo)電薄膜的制備:在第一步制備的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)低表面能材料表面利用旋涂工藝制備一層厚度為納米尺度的柔性導(dǎo)電薄膜；
[0012]第三步，底層彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu):在基材II表面制備一層厚度為納米尺度的導(dǎo)電材料，所述的基材II為載玻片或Si片，所述的導(dǎo)電材料為氧化銦錫ITO或銀納米線，然后在導(dǎo)電層頂部利用旋涂工藝制備一層厚度為微米尺度的高彈性模量聚合物，進(jìn)而采用壓印技術(shù)在高彈性模量聚合物制備微米級(jí)別結(jié)構(gòu)陣列，最終在結(jié)構(gòu)陣列的高彈性模量聚合物表面旋涂一層低彈性模量聚合物，實(shí)現(xiàn)低彈性模量聚合物在高彈性模量結(jié)構(gòu)凹槽中的填充；
[0013]第四步，復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型:把上述制備的頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)及中間層柔性導(dǎo)電薄膜和底層聚合物彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠，實(shí)現(xiàn)基于電致動(dòng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型。
[0014]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠在保持蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)高粘附強(qiáng)度的前提下，利用聚合物的電致動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)調(diào)控下的可控脫附與粘附，其制造工藝，采用基于光刻、壓印和旋涂的工藝手段，實(shí)現(xiàn)各層結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確可控制造，本發(fā)明的基于電致動(dòng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可廣泛用于帶式輸送機(jī)、機(jī)械手、微吸盤等干粘附領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
:
[0015]圖1-1為本發(fā)明未施加外部電壓時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0016]圖1-2為本發(fā)明施加外部電壓時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形示意圖。
[0017]圖2-1為本發(fā)明在基材I上制備一層光刻膠的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2-2為本發(fā)明利用雙面曝光技術(shù)在光刻膠層制備蘑菇狀陣列反型結(jié)構(gòu)的工藝示意圖。
[0019]圖2-3為本發(fā)明在光刻膠層制備的蘑菇狀陣列反型結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2-4為本發(fā)明在光刻膠蘑菇狀陣列反型結(jié)構(gòu)表面旋涂制備一層低表面能材料的示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明中間層柔性導(dǎo)電薄膜制造的示意圖。
[0022]圖4-1為本發(fā)明在基材II上依次旋涂制備導(dǎo)電材料和高彈性模量聚合物薄膜層的示意圖。
[0023]圖4-2為本發(fā)明利用壓印工藝在高彈性模量聚合物制備微米級(jí)別結(jié)構(gòu)陣列的示意圖。
[0024]圖4-3為本發(fā)明高彈性模量聚合物的微米級(jí)別結(jié)構(gòu)陣列示意圖。
[0025]圖4-4為本發(fā)明在高彈性模量聚合物表面旋涂制備低彈性模量的示意圖。
[0026]圖5-1為本發(fā)明復(fù)合結(jié)構(gòu)順序疊加的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5-2為本發(fā)明超聲去除殘留光刻膠之后得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0029]—種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，包含三層結(jié)構(gòu)，頂層為干粘附效果表現(xiàn)最優(yōu)的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2，底層為高彈性模量聚合物5與低彈性模量聚合物4相間分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)，中間層為提供電場(chǎng)的厚度為納米尺度的柔性導(dǎo)電薄膜3-1。
[0030]在基材II6表面設(shè)有導(dǎo)電材料3-2，基材II 6為載玻片或Si片，當(dāng)施加在柔性導(dǎo)電薄膜3-1和導(dǎo)電材料3-2上的外部電壓U為O時(shí)，頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)2與接觸表面I之間緊密的隨形貼合，表現(xiàn)為大接觸面積下的高強(qiáng)度可靠粘附，如圖1-1所示；當(dāng)外部電壓U不為O時(shí)，在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)作用下，低彈性模量聚合物4會(huì)發(fā)生壓縮變形，而高彈性模量聚合物5保持不變，從而導(dǎo)致低彈性模量聚合物4對(duì)應(yīng)區(qū)域與接觸表面I分離脫附，引發(fā)小接觸面積下的可控脫附，如圖1-2所示；當(dāng)外加電壓再次恢復(fù)為O時(shí)，低彈性模量聚合物4彈性形變消失，復(fù)合結(jié)構(gòu)恢復(fù)初始形貌，如圖1-1所示，由此實(shí)現(xiàn)了電場(chǎng)調(diào)控的高強(qiáng)度可靠粘附和可控脫附之間的有效轉(zhuǎn)化。
[0031]—種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝，包括以下步驟:
[0032]第一步，頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)的制備:在基材I7表面旋涂一層厚度In為微米尺度的光刻膠8，如圖2-1所示；
[0033]利用雙面曝光技術(shù)，頂部UV光10-1透過(guò)掩膜版9實(shí)現(xiàn)光刻膠8的頂部光刻，得到蘑菇桿徑D1為微米級(jí)別，間距D2為微米級(jí)別，桿徑高度h2為微米的光刻區(qū)域，底部UV光10-2直接照射基材I 7，實(shí)現(xiàn)光刻膠8的底部光刻，得到厚度h3為微米級(jí)別的薄膜層的光刻區(qū)域，如圖2-2所示；
[0034]利用顯影技術(shù)，去除曝光部分的光刻膠8，在光刻膠8實(shí)現(xiàn)蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示；
[0035]利用旋涂工藝在反型結(jié)構(gòu)光刻膠8表面旋涂一層低表面能材料2，實(shí)現(xiàn)頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)的制造，如圖2-4所示；
[0036]第二步，中間層柔性導(dǎo)電薄膜的制備:在低表面能材料2表面利用旋涂工藝制備一層厚度為納米尺度的柔性導(dǎo)電薄膜3-1，如圖3所示；
[0037]第三步，底層彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu):在基材116表面制備一層厚度匕為納米尺度的導(dǎo)電材料3-2，然后在導(dǎo)電材料3-2頂部利用旋涂工藝制備一層厚度h6為微米尺度的高彈性模量聚合物5，如圖4-1所示；
[0038]利用壓印技術(shù)在高彈性模量聚合物5實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別結(jié)構(gòu)陣列的制造，采用的壓印模板11的凸起結(jié)構(gòu)寬度w2、間距W1和深度h7均為微米級(jí)別，如圖4-2所示，制備的高彈性模量聚合物5的微米級(jí)別結(jié)構(gòu)陣列如圖4-3所示；
[0039]然后在結(jié)構(gòu)化高彈性模量聚合物5表面旋涂一層低彈性模量聚合物4，實(shí)現(xiàn)低彈性模量聚合物4在高彈性模量聚合物5結(jié)構(gòu)凹槽中的填充，低彈性模量聚合物4在高彈性模量聚合物5表面的留膜厚度h8為微米或納米級(jí)別，完成底層的彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)的制備，如圖4-4所示；
[0040]第四步，復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型:把前述制備的頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)及中間層柔性導(dǎo)電薄膜和底層聚合物彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，然后利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠8，如圖5-1所示，最終去除光刻膠8和基材I 7，實(shí)現(xiàn)基于電致動(dòng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)的可控成型，如圖5-2所示。
[0041]本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)干粘附系統(tǒng)高強(qiáng)度粘附和可控脫附之間有機(jī)結(jié)合的難題，利用光刻、旋涂、壓印等工藝實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確可控制造，能夠適用于干粘附領(lǐng)域的廣泛需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，包含三層結(jié)構(gòu)，其特征在于:頂層為蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)，底層為高彈性模量聚合物與低彈性模量聚合物相間分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)，中間層為提供電場(chǎng)的柔性導(dǎo)電薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的頂層采用低表面能材料，包括聚二甲基硅氧烷PDMS。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的底層采用的高彈性模量聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，低彈性模量聚合物為PDMS。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的中間層采用的柔性導(dǎo)電薄膜為聚二氧乙基噻吩PEDOT:聚苯乙烯磺酸PSS或銀納米線。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電致動(dòng)的干粘附復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造工藝，包括以下步驟: 第一步，頂層的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)的制備:在基材I的表面旋涂一層厚度為微米級(jí)別的光刻膠，所述的基材I為載玻片或Si片，所述的光刻膠為EPG 533或AZ系列光刻膠，利用雙面曝光技術(shù)在光刻膠層實(shí)現(xiàn)蘑菇狀陣列的反型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而采旋涂工藝在反型結(jié)構(gòu)的光刻膠層表面制備一層厚度為微米級(jí)別的低表面能材料； 第二步，中間層柔性導(dǎo)電薄膜的制備:在第一步制備的蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)低表面能材料表面利用旋涂工藝制備一層厚度為納米尺度的柔性導(dǎo)電薄膜； 第三步，底層彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu):在基材II表面制備一層厚度為納米尺度的導(dǎo)電材料，所述的基材II為載玻片或Si片，所述的導(dǎo)電材料為氧化銦錫ITO或銀納米線，然后在導(dǎo)電層頂部利用旋涂工藝制備一層厚度為微米尺度的高彈性模量聚合物，進(jìn)而采用壓印技術(shù)在高彈性模量聚合物制備微米級(jí)別結(jié)構(gòu)陣列，最終在結(jié)構(gòu)陣列的高彈性模量聚合物表面旋涂一層低彈性模量聚合物，實(shí)現(xiàn)低彈性模量聚合物在高彈性模量結(jié)構(gòu)凹槽中的填充； 第四步，復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合成型:把上述制備的頂層蘑菇狀陣列結(jié)構(gòu)及中間層柔性導(dǎo)電薄膜和底層聚合物彈性模量差異化分布的周期性陣列結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起，利用超聲剝離工藝去除與蘑菇狀結(jié)構(gòu)粘附在一起的光刻膠，實(shí)現(xiàn)基于電致動(dòng)的復(fù)合結(jié)構(gòu)的成型。
【文檔編號(hào)】B82Y40/00GK105836696SQ201610177866
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月24日
【發(fā)明人】田洪淼, 邵金友, 李祥明, 王炎, 胡鴻, 王春慧, 陳首任
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)